純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型方法研究與計(jì)算界面設(shè)計(jì)

徐林勛, 趙小羽，張 送

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

目前全球面臨著能源危機(jī)和汽車尾氣排放的問題，已成為制約傳統(tǒng)汽車業(yè)發(fā)展的兩大技術(shù)問題，而電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)零排放及能源的合理利用，其動(dòng)力性能指標(biāo)完全可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的要求，因此，電動(dòng)汽車必然成為21 世紀(jì)重要的新型綠色環(huán)保交通工具[1]。電動(dòng)汽車動(dòng)力性能指標(biāo)的好壞在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器等部件組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了滿足電動(dòng)汽車所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使汽車整體的動(dòng)力性能得到更好地發(fā)揮，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身性能參數(shù)的選擇對電動(dòng)汽車是至關(guān)重要的。

本文在對純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型方法的分析研究基礎(chǔ)上，提出了一種適合目前項(xiàng)目實(shí)際需要的電機(jī)選型方法，并根據(jù)此方法通過Matlab/GUI 開發(fā)了電機(jī)選型計(jì)算界面，可以在線得到滿足整車動(dòng)力性能需求的電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，為純電動(dòng)汽車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了有效的工具。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇與匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力源，電機(jī)參數(shù)選擇與匹配主要包括電機(jī)的峰值功率和額定功率、電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等[2，3]。

1.1 電機(jī)額定功率與峰值功率的選擇

根據(jù)電動(dòng)汽車的行駛要求，一般在設(shè)計(jì)時(shí)按照汽車勻速行駛過程中的最高車速來選定電機(jī)的額定功率。即：

其中： Pe—電機(jī)額定功率（kw）；umax—最高車速（km/h）；m—車輛質(zhì)量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積（m2）；ηT—傳動(dòng)系機(jī)械效率。

電動(dòng)機(jī)要提供車輛最大爬坡能力所需功率，即車輛在良好路面上以一定的速度爬上最大坡度路面所需功率。此時(shí)假設(shè)車輛勻速爬坡行駛，即加速阻力為零。且滿足車輛最大爬坡性能所需的功率為：

其中： Pa—滿足最高爬坡要求需要的電機(jī)功率（kw）；ui—爬坡車速（km/h）；m—車輛質(zhì)量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積（m2）；αmax—最大爬坡, αmax=arctan(imax)；imax—最大爬坡度（%）；ηT—傳動(dòng)系機(jī)械效率。

對于純電動(dòng)汽車一般考慮0～50km/h 的原地起步加速時(shí)間與50～80km/h 的超車加速時(shí)間[4]。由于汽車加速過程中加速度是變化的，為方便計(jì)算，本文將汽車加速過程假設(shè)為勻加速，則滿足加速時(shí)間需要的電機(jī)功率為：

其中：Pt—滿足加速時(shí)間需要的電機(jī)功率（kw）；ut—加速末車速（km/h）；u0—加速初車速（km/h）；m—車輛質(zhì)量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積（m2）；t—加速時(shí)間（s）；δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取1.04；ηT—傳動(dòng)系機(jī)械效率。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率（Pemax）必須滿足最高車速時(shí)的功率（Pe）、最大爬坡度時(shí)的功率（Pi）及根據(jù)加速時(shí)間的功率（Pt）要求，即：

1.2 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的選擇

根據(jù)汽車行駛的最高車速以及常規(guī)車速來確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與常規(guī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車車速之間的關(guān)系為：

其中： ua—汽車車速（km/h）；ig—變速器速比；i0—主減速器速比；n—電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；r—輪胎半徑（m）。

1.3 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩選擇

根據(jù)電機(jī)的額定功率與額定轉(zhuǎn)速來確定電機(jī)的額定扭矩，即：

其中： Te—電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Nm）；Pe—電機(jī)額定功率（kw）；nN—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

1.4 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩選擇

Tmax的選擇需要滿足汽車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和αmax的要求，同時(shí)結(jié)合傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比imax和αmax來確定：

其中： Tmax—電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩（Nm）；m—車輛質(zhì)量（kg）；g—重力加速度 （m/s2）；f—滾動(dòng)阻力系數(shù)；αmax—最大爬坡，αmax=arctan（imax）；imax—最大爬坡度（%）；ηT—傳動(dòng)系機(jī)械效率；r—汽車輪胎滾動(dòng)半徑（m）；igmax—變速器速比最大值；i0—主減速器速比。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算界面設(shè)計(jì)

Matlab/GUI 圖形用戶界面 （graphical user interface，GUI） 是由各種圖形對象包括窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對象（Object）構(gòu)成的一用戶界面。在GUIDE平臺下可實(shí)現(xiàn)對用戶自定義界面的菜單、快捷菜單以及各種控件的位置布置及其屬性編輯，從而設(shè)計(jì)出自定義的圖形用戶界面[5]。

Matab/GUI 是一種有別于其它用戶界面設(shè)計(jì)的新型界面開發(fā)方式，用戶可以通過圖形用戶界面的設(shè)計(jì)來確定應(yīng)用程序的主要框架和基本功能，完成了窗口、圖標(biāo)、菜單、按鈕等用戶界面，用戶也只需在由軟件開發(fā)工具自動(dòng)生成的程序代碼中添加自己的運(yùn)算或控制代碼，就可以完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。如圖1 和圖2 為電機(jī)計(jì)算界面的部分源代碼程序與電機(jī)參數(shù)計(jì)算界面[6]。

圖1 電機(jī)選型計(jì)算部分源代碼程序

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算界面

通過計(jì)算界面可知，本界面主要包括三部分，一部分為軟件的菜單欄，一部分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型參數(shù)輸入，包括基本參數(shù)與性能目標(biāo)參數(shù)；另一部分為選型結(jié)果輸出。其中菜單欄包括File、Edit、View、Figure、Help 四部分，F(xiàn)ile 為文件的打開、保存等功能，Edit 功能是數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出；View 是打印輸出結(jié)果；Figure 可以輸出計(jì)算結(jié)果曲線，Help 可以打開幫助文件。

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

3.1 整車參數(shù)及性能目標(biāo)

純電動(dòng)汽車性能目標(biāo)參數(shù)主要包括動(dòng)力性能指標(biāo)以及續(xù)駛里程指標(biāo)，根據(jù)要求的指標(biāo)來確定純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)[7]。表1 為設(shè)計(jì)開發(fā)的某款純電動(dòng)汽車的整車相關(guān)參數(shù)。

表1 純電動(dòng)汽車整車相關(guān)參數(shù)

3.2 電機(jī)選型界面仿真與參數(shù)計(jì)算

按要求將表1 中整車相關(guān)參數(shù)輸入到計(jì)算界面的指定位置中，如圖3 所示為參數(shù)輸入完成后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算界面。

圖3 參數(shù)輸入完成后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算界面

3.3 電機(jī)選型結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算結(jié)果包含兩部分，一部分是電機(jī)性能參數(shù)的數(shù)值輸出，另外一部分是相關(guān)曲線的繪制。如圖4、5分別為電機(jī)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果的數(shù)值輸出與曲線輸出。

4 結(jié)論

圖4 電機(jī)計(jì)算結(jié)果數(shù)值輸出

圖5 電機(jī)計(jì)算結(jié)果曲線輸出

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的合理選型對整車的動(dòng)力性能有很大的影響，為使電機(jī)選型過程既準(zhǔn)確又方便，本文在對選型理論方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了純電動(dòng)汽車選型計(jì)算軟件，并以項(xiàng)目中某款車型為基礎(chǔ)，根據(jù)其整車動(dòng)力性能的要求，利用選型軟件對其驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了選擇，通過對車型進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以滿足要求并且選型合理，為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)、動(dòng)力性能預(yù)測及分析提供了有效的方法。

[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[2] 孫家永.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能研究[D].長安大學(xué).2012.

[3] 方錫邦.微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能參數(shù)匹配及仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

[4] GB/T 28382-2012 純電動(dòng)乘用車 技術(shù)條件[S].

[5] 陳垚光.精通MATLAB GUI 設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 張志涌.精通MATLAB[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[7] 谷靖，歐陽明高，盧蘭光，李建秋.微型純電動(dòng)汽車的系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2013，1.